Remediacja wód gruntowych za pomocą technologii PRB

Remediacja wód gruntowych za pomocą technologii PRB
TECHNOLOGIA PRB – na czym polega i kiedy ją stosować
Zanieczyszczone wody gruntowe stanowią jedno z najistotniejszych zagrożeń dla środowiska
przyrodniczego. Wody te mogą być zawierać węglowodory halogenowe, oleje mineralne, jony chromu, uranu
oraz wiele innych substancji chemicznych. W celu usunięcia tych zanieczyszczeń z wód gruntowych w latach
dziewięćdziesiątych ubiegłego stulecia rozpoczęto stosować technologię PRB, w której zanieczyszczenia
usuwane są bezpośrednio w warstwie wodonośnej poprzez przepływ skażonego strumienia wód gruntowych
przez wypełnioną odpowiednim materiałem (aktywnym) barierę aktywną. Zasada oczyszczania wód
gruntowych za pomocą technologii PRB przedstawiona została na rysunku.
W porównaniu z innymi metodami remediacji wód gruntowych technologia PRB charakteryzuje się
wieloma zaletami. Należy do nich między innymi fakt, iż zanieczyszczenia znajdujące się w wodach ulegają
immobilizacji lub rozkładowi in situ tj. bez konieczności odpompowania wód na powierzchnię terenu. Ze
względu na naturalny przepływ wód gruntowych przez strefę oczyszczania technologia ta nie wymaga ponadto
dostarczania energii i tym samym nie należy do kosztownych w eksploatacji. Technologia PRB może być
stosowana jako:
−
środek zapobiegający degradacji środowiska gruntowo-wodnego dla istniejących, źle usytuowanych i źle
zabezpieczonych składowisk odpadów,
−
środek zapobiegający degradacji środowiska gruntowo-wodnego dla składowisk odpadów, których
zabezpieczenie uległo uszkodzeniu,
−
alternatywa sposobu zabezpieczenia nowo projektowanych składowisk odpadów,
−
środek służący do likwidacji zanieczyszczeń z wód podziemnych, które znalazły się w nich w skutek
nieszczelności zbiorników i rurociągów oraz awarii maszyn i urządzeń.
Procesy oczyszczania stosowane w TECHNOLOGII PRB
Podczas przepływu wód gruntowych przez barierę aktywną, zanieczyszczenia w nich zawarte mogą być
usunięte poprzez procesy fizykochemiczne, chemiczne i/lub biologiczne. Wiele materiałów aktywnych może
być stosowanych w technologii PRB. Procesy jednostkowe przebiegające w tym materiale można podzielić na:
1. procesy redox, w wyniku których może nastąpić:
a. chemiczna dehalogenacja,
b. wytrącanie,
2. procesy wytrącania polegające na regulacji pH,
3. adsorpcję,
4. biodegradację.
Chemiczna dehalogenacja
Węglowodory halogenowane, często występujące w wodach gruntowych jako zanieczyszczenie, są bardzo
toksyczne dla organizmów żywych, podczas gdy większość węglowodorów podstawowych wykazuje słabą
toksyczność lub nie wykazuje jej w ogóle. W związku z tym w przypadku obecności węglowodorów
halogenowanych w wodach gruntowych i ewentualnego zastosowania technologii PRB należy stworzyć w
materiale aktywnym warunki pozwalające na przebieg reakcji, w wyniku której nastąpi zmiana składu i
budowy cząsteczki z toksycznej w nietoksyczną. Przykładem takiego materiału aktywnego może być żelazo
metaliczne Fe(0) stosowane jako reduktor, które w tym środowisku generuje jony żelazawe Fe2+. Podczas tej
reakcji (korozji żelaza) obecność elektronów powoduje redukcję związku halogenowego do nietoksycznego
produktu. Reakcję rozkładu węglowodorów chlorowanych można ogólnie zapisać w następujący sposób:
Fe 0 + H 2 O + RCl → RH + Fe 2+ + OH − + Cl −
Wytrącanie
Korzystając z reakcji redox poza dehalogenacją można również uzyskać wytrącanie się dodatnio
naładowanych toksycznych kationów takich jak Cd, Co, Cu, Ni, Pb, Hg, Tc, UO2. Jony te mogą przechodzić do
wód gruntowych podczas ich przepływu przez obszary przemysłowe. Stan ich wytrącania można osiągnąć
poprzez zastosowanie materiału aktywnego charakteryzującego się również własnościami redukcyjnymi.
Wszystkie wymienione kationy charakteryzują się wyższym potencjałem normalnym niż przedstawione
wcześniej żelazo metaliczne Fe(0). Dlatego też w takim materiale aktywnym stosowanym w technologii PRB
następuje wypieranie toksycznych kationów z wód, co przedstawia reakcja:
Fe 0 + CuSO 4 → FeSO 4 + Cu 0
U Fe / Fe2+ < U Cu / Cu 2+
gdzie:
UFe/Fe2+ - potencjał normalny w szeregu napięciowym metali [V]
Wytrącanie jonów poprzez regulację pH
Wytrącanie jonów odbywać się może również poprzez zastosowanie materiału aktywnego, w wyniku
którego nastąpi zmiana pH. Skutek zmian wartości pH na rozpuszczalność wielu związków nieorganicznych
przedstawiony został na rysunku (Anielak)
Jak wynika z tego rysunku rozpuszczalność – a tym samym mobilność wielu nieorganicznych związków
obniża się dla pH neutralnego lub słabo zasadowego, podczas gdy rozpuszczalność i mobilność tych związków
rośnie przy pH kwaśnym oraz w niektórych przypadkach zasadowym. Odczyn neutralny oraz słabo zasadowy
można otrzymać przez zastosowanie takich materiałów jak: kamień wapienny, wapno hydratyzowane, kompost.
Adsorpcja
Adsorpcja jest to proces polegający na pochłanianiu zanieczyszczeń z roztworów ciekłych przez adsorbenty
stałe o silnie rozwiniętej powierzchni i utworzeniu na niej warstwy cząsteczek lub atomów.
Rys. Powierzchnia adsorbentu a) przed, b) po zaadsorbowaniu zanieczyszczeń (Anielak)
Znanych jest wiele materiałów, które są w stanie pochłaniać zanieczyszczenia w wyniku adsorpcji. Należą
do nich między innymi: granulowany węgiel aktywny, zeolity, montmorylonit, torf, kompost, trociny.
Właściwy materiał do zastosowania w technologii PRB powinien wykazywać się następującymi własnościami:
wysoką pojemnością sorpcyjną, selektywnością w odniesieniu do usuwanych zanieczyszczeń, dużą prędkością
reakcji, wysoką przepuszczalnością hydrauliczną, długotrwałą efektywnością pracy, brakiem szkodliwości w
odniesieniu do środowiska przyrodniczego, dostępnością oraz umiarkowaną ceną. Ponadto materiał ten
powinien być nierozpuszczalny, nie ulegający biodegradacji oraz łatwy do zastosowania.
Niestety materiał sorpcyjny z powodu potencjalnej możliwości desorpcji lub wymiany jonowej
zanieczyszczeń, ostatecznie powinien zostać zastąpiony i poddany regeneracji. Ten aspekt powoduje, iż bariery
adsorpcyjne są drogie w zastosowaniu i niekonkurencyjne w porównaniu z innymi.
Biodegradacja
W środowisku gruntowo-wodnym występują populacje mikroorganizmów zdolne do rozkładu
węglowodorów traktując je jako źródło węgla i/lub energii. Rozkład substancji organicznej na drodze
biologicznej to sekwencje zmian jej budowy molekularnej pod wpływem enzymów prowadzące do
powstawania CO2, H2O, związków nieorganicznych oraz biomasy. Proces biodegradacji w naturalnych
warunkach przebiega bardzo wolno. W celu jego przyspieszenia w barierze aktywnej, należy stworzyć w niej
korzystne warunki. Na szybkość i efektywność procesów biodegradacji mają wpływ głównie:
•
zawartość tlenu rozpuszczonego w wodzie (>0,2gO2/m3),
•
stężenie związków biogennych w wodzie – C:N:P = 100:10:1
•
temperatura (optymalna 28 – 33oC)
•
potencjał utleniająco-redukcyjny (Eh>50mV),
•
pH (dopuszczalny 5,5-8,5 pH).
Główne typy TECHNOLOGII PRB
Znane i obecnie stosowane są dwa typy technologii PRB, są to ciągła bariera aktywna oraz bariera
kombinowana, która składa się z bariery kombinowanej otwartej i bariery kombinowanej zamkniętej.
MATERIAŁ AKTWYNY
Odbywające się w technologii PRB procesy powinny przebiegać w warunkach pozwalających na
długotrwałą i efektywną pracę materiału aktywnego. Czynnikami decydującymi o wyborze najlepszego dla
określonych warunków materiału aktywnego są jego:
− aktywność – materiał aktywny powinien być w stanie usunąć zanieczyszczenia w określonym czasie,
− zdolność filtracyjna – selekcja wielkości ziaren materiału aktywnego powinna być rozpatrywana jako
kompromis pomiędzy jego aktywnością i przepuszczalnością hydrauliczną.
− stabilność – materiał aktywny powinien zachować swoją aktywność oraz przepuszczalność hydrauliczną
przez wymagany czas.
− zgodność ze środowiskiem – produkty uboczne tworzone podczas procesów oczyszczania nie powinny być
szkodliwe dla środowiska przyrodniczego.
− dostępność i cena – materiał aktywny powinien być łatwo dostępny w dużej ilości i w umiarkowanej cenie.
Rodzaj zanieczyszczeń jest najważniejszym czynnikiem podczas doboru odpowiedniego materiału
aktywnego. Zarówno zanieczyszczenia organiczne jak i nieorganiczne oraz ich mieszaniny podlegają procesom
oczyszczania lub zatrzymania w barierze aktywnej. W tablicy, na podstawie prac (Gavaskar, U.S. Department
of Defense: Evaluating the longevity, Wilkin), przedstawiono te z nich, które w badaniach laboratoryjnych lub
polowych przy zastosowaniu podanego materiału aktywnego, zostały przetestowane i potwierdzone jako
możliwe do oczyszczania.
Molibden (Mo), uran (U), technet (Tc), cez (Cs)
MATERIAŁ
AKTYWNY
Węgiel aktywny
Molibden (Mo), rtęć (Hg), uran (U), arsen (As), fosfor (P), selen (Se), miedź (Cu)
Molibden (Mo), uran (U), glin (Al), bar (Ba), kadm (Cd), mangan (Mn), rtęć (Hg), nikiel (Ni)
Tlenek żelazowy
Magnetyt
Molibden (Mo), uran (U), chrom (CrVI), arsen (As), ołów (Pb), siarczany
torf, lignit, węgiel
Związki
organiczne
Związki nieorganiczne
ZANIECZYSZCZENIA
Glin (Al), bar (Ba), kadm (Cd), mangan (Mn), rtęć (Hg), nikiel (Ni), uran (U), stront-90 (Sr),
arsen (As), chrom (CrVI), ołów (Pb), selen (Se)
Molibden (Mo), uran (U)
Molibden (Mo), uran (U), arsen (As), kadm (Cd), selen (Se), siarczany
Arsen (As), mangan (Mn), molibden (Mo), selen (Se), uran (U), technet (Tc), glin (Al), bar
(Ba), kadm (Cd), rtęć (Pb), nikiel (Ni), technet (Tc), chrom (CrVI), stront (Sr), siarczany,
azotany
cVOC
Paliwa płynne zawierające węglowodory
TCE, DCE, cVOC, PCB, VC, PCE, TCA, chlorofenol, CT, TCM, DCM, TCP, DCA, CHCl3,
TCE
BTEX, fenole, VOC, PAH
Lista skrótów
BTEX
CT
DCA
DCE
DCM
ORC®
PCB
PCE
- benzen, toluen, etylobenzen, ksylen
– czterochlorek węgla
– dichloroetan
– dichloroeten
– dichlorometan
- component uwalniający tlen
- polichlorowane bifenyle
– czterochloroeten
RODZAJ
PROCESU
adsorpcja lub
wymiana
jonowa
zeolit
wapno, popiół lotny
Kamień wapienny
Wytrącanie
metale granulowane
Minerały żelazawe
ORC®
metale granulowane
Zeolit,
Węgiel aktywny
Glina
Węgiel aktywny
Rozkład
Adsorpcja
PAH
TCA
TCE
TCM
TCP
VC
cVOC
– wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne
– trichloroetan
- trichloroetylen
– trichlorometan, chloroform
– trichloropropan
– chlorek winylu
- lotne chlorowane związki organiczne
KONTAKT
Dr inż. Tomasz Suponik
[email protected]
Tel. (+48 32) 237-18-90
Fax. (+48 32) 237-22-09
Politechnika Śląska
Wydział Górnictwa i Geologii
Katedra Przeróbki Kopalin i Utylizacji Odpadów
ul. Akademicka 2, 44-100 Gliwice